Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5887
Main Title: Many body effects in heavily doped GaN
Translated Title: Viel-Teilchen-Wechselwirkungen in hoch dotiertem GaN
Author(s): Nenstiel, Marc Christian Siegfried
Advisor(s): Hoffmann, Axel
Referee(s): Hoffmann, Axel
Phillips, Matthew
Suski, Tadeusz
Maultzsch, Janina
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: In this work the fundamental optical signatures of highly Germanium doped GaN are investigated. This work gives fundamental new insights in interactions of carriers in a three dimensional degenerated electron gas. The first part of this thesis is dedicated to the investigation of compensation mechanisms in GaN samples with Germanium concentrations up to 1021 cm‐3. The combination of Hall effect measurements, secondary ion mass spectrometry (SIMS), Raman spectroscopy and temperature‐dependent and time-resolved photoluminescence spectroscopy shows the influence of compensation mechanisms on the structural, electrical and optical properties of the crystal. In the second part of this doctoral thesis, Germanium doped GaN samples are examined, which do not show any compensation effects. This fact is illustrated through comparison with Silicon doped GaN samples, which were grown with the same growth conditions as the Germanium doped samples. By the means of photoluminescence spectroscopy a new quasi particle was discovered, the collexon. The collexon is an exciton-like many-particle complex, which is stabilized by a three dimensional electron gas. The stabilization enhances with increasing electron gas density and is featured by small spectral half-width (≈10 meV), temperature stability up to 100 K and longevity (≈250 ps). In contrast to other many-particle complexes, e.g. trions and biexcitons, the collexon is observed in a threedimensional structure and not in a low-dimensional structure, such as quantum wells and quantum dots. Contradicting the common behavior of heavily doped semiconductors, the entire emission intensifies and its decay time slows towards increasing free electron concentration, while the collexonic emission narrows spectrally, as long as no compensation occurs.
In der vorliegenden Arbeit werden die grundlegenden optischen Eigenschaften von hoch Germanium dotierten GaN Epischichten untersucht und diskutiert. Diese Arbeit liefert neue Erkenntnisse über Wechselwirkungen von Ladungsträgern in einem dreidimensionalen degenerierten Elektronengas. Der erste Teil dieser Doktorarbeit befasst sich mit Kompensationsmechanismen in GaN:Ge Proben bis in den Dotierungsbereich von 1021 cm‐3. Die Kombination von Halleffekt-Messungen, Sekundärionen-Massenspektrometrie, Ramanspektroskopie, sowie temperaturabhängiger und zeitaufgelöster Photolumineszenzspektroskopie veranschaulicht den Einfluß von Kompensationsmechanismen auf die strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften des Kristalls. Der zweite Teil dieser Doktorarbeit vergleicht Ge- und Si-dotierte GaN Epischichten auf ihre Kompensationseigenschaften. Kompensationsarme (GaN:Ge) Proben zeigen im Vergleich zu kompensationsreichen (GaN:Si) neue, bisher unbekannte bindende Vielteilchenwechselwirkungen zwischen einem dreidimensionalem Elektronengas und Elektron-Loch-Paaren. Diese Vielteilchenwechselwirkung führt zur Einführung eines neuen Quasiteilchens, dem Collexon. Dabei handelt es sich um einen exzitonartigen Vielteilchenkomplex, der durch ein dreidimensionales Elektronengas stabilisiert wird. Je höher die Elektronengasdichte, desto stärker ist die Stabilisierung des Collexons. Diese Stabilisierung zeichnet sich durch die kleine spektrale Halbwertsbreite (≈10 meV), Temperaturstabilität bis zu 100 K und Langlebigkeit (≈250 ps) aus. Im Gegensatz zu anderen Vielteilchenkomplexen, wie z.B. Trionen und Biexzitonen, wird das Collexon nur in einer dreidimensionalen Struktur beobachtet, aber nicht in einer niederdimensionalen, wie Quantengräben oder Quantenpunkten. Im Gegensatz zum üblichen Verhalten von Lumineszenzen solcher Vielteilchenkomplexe in stark dotierten Halbleitern nimmt die Intensität und Lebenszeit der Lumineszenz des Collexons mit steigender Ladungsträgerkonzentration zu und die Halbwertsbreite ab, solange keine Kompensation eintritt.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6331
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5887
Exam Date: 13-Mar-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 8-May-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): GaN
doping
many body effects
Collexon
exciton
Dotierung
Viel-Teilchen-Effekte
Exziton
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
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